染料掺杂手性向列相液晶激光器的制备和研究

岱 钦，邬小娇，吴 杰，毛有明，乌日娜

（沈阳理工大学 理学院，辽宁 沈阳 110159）

1 引 言

目前随着液晶相关理论的健全，一系列基于液晶特殊光学性能的器件已被开发出来，并广泛应用于众多领域，如显示、激光器件、医学诊断、空间光调制器等［1－3］。胆甾相液晶由于其层状的周期性螺旋结构，可以看作自组装的一维光子晶体，它具有类似光子晶体的光子禁带结构。以适当比例将激光染料掺入胆甾相液晶可以制成分布反馈（DFB）式液晶激光器。这种染料掺杂液晶激光器是一种新型的激光器，具有制备简单、体积小、输出波长可调谐等优点，符合器件逐渐微型化的发展趋势。激光是现代科技不可替代的优秀相干光源，而液晶激光器件使激光器微型化、集成化成为可能。

目前国内外对液晶激光器的研究发展很快，进展迅速。1973 年 L.S.Goldberg 和J.M.Schnur提出染料掺杂胆甾相液晶激光器的方案［4］。2012年Jurgen Schmidtke等人研究了掺有DCM激光染料胆甾相液晶激光器的电场调谐特性［5］。2010年苑梦尧等讨论了共面转换模式下电场对胆甾相液晶螺距的影响，为电控反射式彩色显示与电场调谐液晶激光器提供借鉴［6］。2013年张伶莉等制作了掺杂DCM激光染料具有外部谐振腔的液晶激光器，通过电压控制可在单模和多模发射间进行切换［7］。激光染料PM597具有很高的量子效率和较小的三重态吸收，是一种高效的激光染料，目前对掺杂激光染料PM597的液晶激光器研究较少，本论文主要对掺有PM597激光染料的手性向列相液晶激光器的激光辐射行为进行了研究。成功制作了染料掺杂手性向列相液晶激光器件。在532nm的Nd：YAG脉冲固体激光器泵浦下，获得了稳定的激光输出。采用光子态密度理论进行了分析，根据实际样品各成分的配比，模拟出态密度随波长的分布曲线。

2 实 验

在镀有ITO的玻璃基板上旋涂一层PI取向剂，高温（200℃）固化2h。摩擦处理，加40μm隔垫物，制作成反平行液晶盒并做封胶处理。将向列相液晶TEB30A、手性剂S－811、激光染料PM597分别按68.6%、29.4%、2%的质量分数混合均匀并注入液晶盒，完成样品制备。用偏光显微镜观察样品的织构。利用紫外分光光度计（UV757CRT，凌光）测量器件透射谱，确定光子禁带位置。用532nm的Nd∶YAG脉冲固体激光器（脉宽20ns，重复频率为5Hz）激发配制好的药品，获得PM597的荧光光谱。由于染料对532nm的激光吸收效果较好，所以采用532nm脉冲固体激光器作为泵浦光源。利用多通道光纤光谱仪（Avantes）测量器件的激光辐射谱线，实验及探测装置如图1所示。

图1 实验及探测装置示意图Fig.1 Framework of experiment and detection device

3 结果及分析

手性向列相液晶可以看成许多液晶薄层重叠而成，同一薄层内液晶分子指向矢方向一致，但相邻两薄层内液晶指向矢具有一定夹角。指向矢方向随着层数的增加旋转360°为一个周期，液晶分子旋转一周所经过的长度称为螺距。对液晶盒表面进行反平行摩擦处理，该摩擦方式能使液晶分子的螺旋周期延续下去，且螺旋轴垂直于样品表面形成平面态织构。图2（a）为在正交偏光显微镜下观察到的样品照片，显示了oily－streak lines织构，说明形成了平面态排列。

图2 样品织构和透射谱Fig.2 Transmission spectrum and texture of sample

从样品的透射谱中可以清楚看到光子禁带的位置，如图2（b）所示，光子禁带的两个边沿分别位于585.5nm和632.5nm。胆甾相液晶具有选择反射特性，能选择性地反射与液晶分子相同旋向的圆偏振光。由于实验采用的自然光同时包含左旋和右旋光，因此禁带位置的透射率为总强度的50%左右。样品选择反射中心波长可以用λ0＝〈n〉p 计算，其反射带宽为 Δλ＝Δnp。其中〈n〉＝（ne＋no）／2，Δn＝ne－no（ne＝1.692，no＝1.522），p为螺距。

将激光染料PM597掺入手性向列相液晶中，其光致激发产生的荧光光谱如图3所示。该荧光虽为非偏振光，但大部分光谱正好落入手性向列相液晶的光子禁带中。荧光中与手性向列相液晶旋向一致的圆偏振光会被多次反射，并被束缚在光子禁带内部。在多次反射中获得反馈放大，并最终产生激光。

图3 PM597的荧光光谱Fig.3 Fluorescence spectrum of PM597

用532nm的固体脉冲激光泵浦样品，在短波边沿571.2nm处和长波边沿615.5nm处同时观察到稳定的激光输出。

图4 样品激光辐射图谱Fig.4 Laser radiation spectrum of sample

4 态密度理论

采用光子态密度理论加以研究产生激光辐射的机理。态密度（DOS）可以看成群速度的倒数，表示单位体积、单位角频率内波数的密度。其公式表示为DOS＝dk／dω，即群速度取极小值处光子态密度最大。这可以理解为该处阈值最低易产生激光辐射，而其他位置阈值则大得多。若忽略样品对光的吸收作用，且样品折射率为胆甾相液晶的平均折射率，手性向列相液晶激光器件的透射系数可以表示为［9］：

样品厚度为L，则光在样品中传播产生的相位差为φ＝kL，则态密度为［10］：

根据实际样品各成分的配比，按照上述关系可以模拟出态密度随波长的分布曲线。

图5 光子态密度随波长的变化分布曲线Fig.5 Distribution curve of density of optical state along with the change of wavelength

如图5所示，禁带边沿，光子的群速度趋于零，可以存在很长的光程，光子可以在这个结构里发生多重反射，形成驻波相干，加强了增益。而在整个禁带里面，群速度为虚数，所以不会有光子存在。

5 结 论

制作了掺杂PM597激光染料的手性向列相液晶激光器件，分别按2%、29.4%、68.6%的浓度混合激光染料PM597、手性剂S－811、向列相液晶TEB30A，获得的光子禁带能与PM597荧光谱较好的重叠。采用532nm脉冲固体激光器对样品进行泵浦，在光子禁带的长波和短波边沿同时产生稳定的激光输出，波长分别为615.5nm和571.2nm。采用光子态密度理论模拟分析了手性向列相液晶激光器产生激光的机理，在光子禁带边沿处光子态密度最大，此处器件阈值最低最容易产生激光辐射。

［1］贺锋涛，贾琼瑶，孙林军.液晶激光投影显示系统设计［J］.红外与激光工程，2012，41（10）：2700－2702.He F T，Jia Q Y，Sun L J.Design of liquid crystal laser projection display system ［J］.Infrared and Laser Engineering，2012，41（10）：2700－2702.（in Chinese）

［2］邱基斯，樊仲维，唐熊忻，等.基于液晶空间光调制器整形的重频100mJ全固态1053钕玻璃激光放大［J］.红外与激光工程，2012，41（10）：2637－2643.Qiu J S，Fan Z W，Tang X X，et al.100mJ high beam quality all－solid－state 1053nm Nd：glass amplifier at repetition frequency shaping by LCSLM ［J］.Infrared and Laser Engineering，2012，41（10）：2637－2643.（in Chinese）

［3］程少园，曹召良，胡立发，等.液晶自适应光学扫描激光检眼镜的光学系统设计［J］.红外与激光工程，2012，40（2）：253－257.Cheng S Y，Cao Z L，Hu L F，et al.Design of scanning laser ophthalmoscope system with LC adaptive optics［J］.Infrared and Laser Engineering，2012，40（2）：253－257.（in Chinese）

［4］Goldberg L S，Alexandria，Schnur J M，et al.Tunable internal－feedback liquid crystal－dye laser：United States，3771065［P］.1973－11－06.

［5］Jurgen S，Gisela J，Susanne K B，et al.Electrical fine tuning of liquid crystal lasers［J］.Applied Physics Letters，2012，101（5）：051117－1－051117－4.

［6］苑梦尧，邓罗根.液晶盒边界效应对胆甾相液晶电控螺距的影响［J］.液晶与显示，2010，25（1）：21－28.Yuan M Y，Deng L G.Effects of liquid cell’s boundary conditions on electric tuning of cholesteric liquid crystal spiral pitch［J］.Chinese Journal of Liquid Crystal and Display，2010，25（1）：21－28.（in Chinese）

［7］张伶莉，孙秀冬，刘永军，等.具有外部谐振腔的胆甾相液晶激光器的研究［J］.液晶与显示，2013，28（5）：679－682.Zhang L L，Sun X D，Liu Y J，et al.Cholesteric liquid crystals laser with external cavity［J］.Chinese Journal of Liquid Crystal and Display，2013，28（5）：679－682.（in Chinese）

［8］Wu R N，Li Y，Wu J，et al.A study of lasing wavelength by DOS in the temperature－tunable cholesteric liquid crystal lasers［J］.Optics Communications，2013，300：1－4.

［9］Mikhail I B，Lev M B，Vladimir V L，et al.Lasing from photonic structure：cholesteric－voltage controlled nematiccholesteric liquid crystal［J］.Journal of Applied Physics，2008，103（12）：123113－1－123113－7.

［10］Blinov L M.Lasers on cholesteric liquid crystals：mode density and lasing threshold ［J］.JETP Letters，2009，90（3）：166－171.